JP2017114200A - 無人航空機の飛行補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機を安定飛行すべく繋索のテンションを利用者が随意に調整でき、且つ、その調整を無人航空機の遠隔操縦に支障を来さないように行い得る無人航空機の飛行補助装置を開示する。【解決手段】無人航空機の飛行を繋索によって補助する装置であって、繋索を巻回するスプールと、スプールの巻き取り方向に回転する電動モータと、電動モータの動力をスプールに伝達するクラッチ機構とを備え、クラッチ機構は、電動モータの動力をその滑り量に応じた巻き取りトルクとしてスプールに伝達する摩擦ディスク及び制動ディスクと、これらディスクを相対的に接離する方向に移動させて滑り量を任意に可変するアクチュエータとを備え、スプールの巻き取りトルクを無人航空機の揚力と釣り合わせて繋索にテンションを付与可能とした。さらに、無人航空機の高度を検出して、高度が予め設定した設定値となったときに電動モータを駆動開始するモータ制御手段を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、ドローン（ｄｒｏｎｅ）に代表される遠隔操縦可能な無人航空機の飛行を巻き取り可能な繋索によって補助する装置に関するものである。

近年、カメラを搭載した空撮用ドローン（マルチコプター、クアッドコプターとも称される）が普及し、普段、人が立ち入れない場所を上空から観察したり撮影したりできることから、ビジネス目的だけでなく趣味としても利用者が急増している。

しかし、利用者の急増に伴って操縦技量等に乏しい利用者も現れ、リモコンの電波が届かないところまで飛行させてしまったり、風に煽られたりして、操縦不能となったドローン（俗に、「野良ドローン」と称される。）が人の集中する場所や観光施設、挙げ句の果てには政府施設に墜落又は不時着する等、社会的な問題となったことから、平成２７年に国は航空法を改正して無人航空機の飛行ルールを定め、特定の空域については許可制とした。

その一方で、従来、無線により遠隔操縦する無人航空機を繋索により地上側と接続する技術は公知である（例えば特許文献１〜４等）。

このうち特許文献１〜３では、無人航空機の飛行時に繋索のテンション（張力）を調整することが開示されている。

特開２０１３−７９０３４号公報 特開２０１０−２０８６２３号公報 特開平０２−０７７３９５号公報 特開昭５９−２７２１３号公報

特許文献１には、無人航空機（同文献において、回転翼機）につないだ繋索（同文献において、繋留ロープ）を巻き上げ機によって弛まない様に緊張を維持することが開示されているが、そのためには、巻き上げ機をどのようにして駆動するのか具体的な制御手段までは開示されていない。即ち、巻き上げ機を常時駆動すれば、繋留ロープの緊張を維持することはできるが、そうすると、常時、繋留ロープが巻き上げられて、一向に回転翼機の高度を上げることができないし、繋留ロープが弛んだことを見計らって利用者が巻き上げ機を駆動するとすれば、当該駆動後、弛んだ部分が巻き上げられて、繋留ロープが緊張した段階で巻き上げ機を停止するまでの間、利用者は回転翼機の遠隔操縦に専念することができなくなる。

また、特許文献２には、無人航空機（同文献において、ＵＡＶ）につないだ繋索（同文献において、テザ）の張力を張力制御モーターによって調整するシステムが開示されているが、同システムにおけるテザは、地上側からＵＡＶに給電する電線として機能するもので、飛行中の張力については、ＵＡＶを自由に飛行させるために、十分なゆるみを維持するように調整するものであるから、ＵＡＶの飛行範囲を制限するといった技術的意義はないうえ、風に煽られれば飛行が不安定になるなど、繋留しない通常の無人航空機と同様、その遠隔操縦には技量や熟練が必要になる。

さらに、特許文献３には、無人航空機（同文献において、ラジコンヘリコプタ）を繋索（同文献において、規制ワイヤ）によりテンショナを介して地上と連結し、ラジコンヘリコプタの飛行中、テンショナによって規制ワイヤの張力を予め設定された値に自動制御することが開示されているが、当該テンショナは規制ワイヤの巻き取り機構とは独立した機構を有して、張力を計測したり、その張力を設定値に調整する構造が複雑であるうえ、使用時には、ラジコンヘリコプタの大きさや性能、また規制ワイヤの伸び性能、さらには飛行高度における風速や風向などの気象条件など、規制ワイヤのテンションに影響する全ての要素を考慮して、予め利用者自らがテンショナの張力設定値を一々設定しなければならないという手間もある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、無人航空機に繋いだ繋索について、無人航空機を安定飛行すべく前記繋索のテンションを利用者が随意に調整でき、且つ、その調整を無人航空機の遠隔操縦に支障を来さないように行い得る無人航空機の飛行補助装置を開示することである。

上述した目的を達成するために本発明では、遠隔操縦する無人航空機の飛行を繋索によって補助する装置であって、前記繋索を巻回するスプールと、該スプールの巻き取り方向に回転する電動モータと、該電動モータの動力を前記スプールに伝達するクラッチ機構とを備え、 前記クラッチ機構は、互いに圧接し、前記電動モータの動力をその滑り量に応じた巻き取りトルクとして前記スプールに伝達する摩擦ディスク及び制動ディスクと、これらディスクを相対的に圧接方向に移動させて前記滑り量を任意に可変するアクチュエータとを備え、前記スプールの巻き取りトルクを前記無人航空機の揚力と釣り合わせて前記繋索にテンションを付与可能とするという手段を用いた。

上記手段によれば、アクチュエータを操作することによって摩擦ディスクと制動ディスクの滑り量を可変し、これによって両ディスクの摩擦力が変化し、もって、スプールの巻き取りトルクを調整することができる。アクチュエータは無人航空機の遠隔操縦者またはその付添人が任意に操作するものである。アクチュエータを操作して、摩擦ディスクと制動ディスクの摩擦力が小さければ、その分、摩擦ディスクと制動ディスクの滑り量が増え、スプールの巻き取りトルクが小さくなる。そして、無人航空機が空撮等する高度まで飛揚した後、その揚力とスプールの巻き取りトルクとが釣り合うようにアクチュエータを操作すれば、それ以降は、無人航空機とスプール間の繋索にテンションがかかり、緩みが防止される。この状態は、無人航空機が繋索によってホバリング状態となり、繋索が弛んだ状態よりも、安定したホバリングが可能となる。

アクチュエータは、スプールの巻き取りトルクが無人航空機の揚力を下回る繋索の繰り出し状態から、前記巻き取りトルクが前記揚力を上回る前記繋索の巻き取り状態まで、摩擦ディスクと制動ディスクの滑り量を可変することが好ましい。繋索に常にテンションがかかった状態で、無人航空機を所定高度まで安定的に飛揚させ、また、無人航空機を安定的に着陸または操縦者側に回収することができるからである。

さらに、無人航空機の高度を検出して、前記高度が予め設定した設定値となったときに電動モータを駆動開始するモータ制御手段を備えることが好ましい。無人航空機を離陸させる際は、スプールをフリーの状態として、無人航空機の離陸に支障を来さないように繋索の繰り出しを許容する必要があるが、当該手段によれば、その後、装置側で自動的に電動モータが駆動開始することで、操縦者は無人航空機の操縦に専念することができる。

なお、無人航空機の高度の設定値は、スプールから繰り出される繋索の長さとして示されることが好ましい。無人航空機自体が有する高度計測手段を利用することも可能であるが、当該計測値を利用する場合、電動モータを駆動開始するためには、本装置と無人航空機をテザリング等してデータを送受信できるようにしなければならないが、当該手段によれば、上記テザリング等の手間なく、本装置だけで電動モータを駆動開始することができるからである。

なお、クラッチ機構は、アクチュエータとは別に、摩擦ディスクと制動ディスクの初期滑り量を調整するツマミを備えることが好ましい。これらディスクが経年的に摩耗した場合、前記ツマミによって摩耗分だけ滑り量を減少方向（摩擦力の増大方向）に調整することで、摩耗前と同じ状態でアクチュエータにより滑り量を調整できるからである。また、ツマミによって滑り量を微調整することもできるからである。

本発明によれば、アクチュエータによって操縦者が随意に繋索のテンションを調整できるため、無人航空機の性能やその気象条件に左右されることなく、安定して無人航空機を飛行させることができる。また、電動モータは無人航空機が所定高度となれば自動的に駆動を開始するため、操縦者はその駆動タイミングに気をとられることなく無人航空機の操縦に専念することができる。

本発明の一実施形態に係る無人航空機の飛行補助装置を示した説明図

以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に従って説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る無人航空機の飛行補助装置を示したもので、１はドローン、２はドローン１と繋索３を介して接続する本装置である。ドローン１は四つの回転翼を備えた遠隔操縦可能な小型の無人航空機であり、カメラ４を搭載して、空撮ができるようになっている。

そして、このドローン１の飛行を繋索３によって補助するところ、そのための本装置２は、繋索３を巻回するスプール５と、該スプール５の巻き取り方向に回転駆動する電動モータ６と、該電動モータ６と前記スプール５間の動力伝達経路中にあって、前記電動モータ６の動力を前記スプール５に伝達するクラッチ機構７とを備えている。

クラッチ機構７は、同軸上に配置される摩擦ディスク８及び制動ディスク９と、これらディスク８・９を相対的に圧接方向に移動させるアクチュエータ１０とを備え、アクチュエータ１０の操作によって両ディスク８・９の滑り量（圧接量に応じた摩擦力と相反）を可変するようにしている。そして、両ディスク８・９が圧接した状態で電動モータ６の動力がスプール５に伝達されるのであるが、電動モータ６が定回転状態にあるとき、スプール５は前記滑り量に見合った巻き取りトルクで回転することになる。つまり、滑り量が大きいほど巻き取りトルクは小さくなり、このように調整される巻き取りトルクがドローン１の揚力よりも小さいときは、スプール５は電動モータ６の動力に抗して繋索３の繰り出し方向に逆回転し、ドローン１の上昇を許容する。一方、アクチュエータ１０を滑り量の減少方向に操作して、スプール５の巻き取りトルクがドローン１の揚力を上回ったときには、スプール５は繋索３を巻き取りって、ドローン１の高度を下げ、この状態を維持することで、ドローン１を着陸ないしは回収することができる。なお、１１はアクチュエータ１０の操作量がゼロのときに摩擦ディスク８と制動ディスク９の初期滑り量を決定するツマミである。

また、この実施形態では、電動モータ６の駆動制御手段として、ドローン１の離陸直後、スプール５から繰り出される繋索３の繰り出し長さを計測するエンコーダ１２と、該エンコーダ１２による計測値が予め設定した繰り出し長さとなったときに、自動的に前記電動モータ６を駆動開始するモータスイッチ１３とを備えている。

上記構成の飛行補助装置について、ドローン１の離陸から着陸までの動作を説明すると、まず、通常どおりにドローン１を離陸させるのであるが、このとき本装置２（電動モータ６）は作動しておらず、スプール５は回転フリーの状態にあって、ドローン１の上昇に合わせてスプール５から繋索３が繰り出される。この繰り出し長さはエンコーダ１２によって計測されており、ドローン１が所定高度（例えば３〜５ｍ）まで飛揚したときの繰り出し長さを計測したときは、モータスイッチ１３が作動して電動モータ６が回転し始める。

電動モータ６が回転すると、その動力はクラッチ機構７を介してスプール５に伝達され、同スプール５を繋索３の巻き取り方向に回転させようとする。しかし、この段階では、クラッチ機構７における摩擦ディスク８と制動ディスク９との滑り量が大きく、スプール５の巻き取りトルクに抗して繋索３が繰り出され、ドローン１はそのまま高度を上げていく。この上昇過程では、スプール５は逆回転するものの、繋索３にはドローン１による引張力が作用してテンションがかかり、弛むことがない。この間、操縦者は本装置２の作動に気をとられることなく、ドローン１の遠隔操縦に専念することができる。

そして、ドローン１が空撮等の目的高度に達するとホバリングを始めるが、このホバリング中に繋索３は、ドローン１の高度が若干下がったり、風圧に押されて弛むことがある。このようにして繋索３が弛むと、ドローン１は繋索３を繋がない状態と同じになり、風に煽られるなどして、安定的なホバリングが困難となる。

そこで、本装置２では、操縦者がアクチュエータ１０を操作して、摩擦ディスク８と制動ディスク９の滑り量を小さくことで（摩擦力を大きくすることで）、スプール５の巻き取りトルクを上げ、弛んだ繋索３を巻き取りる。これによって繋索３は、緩みが解消されて、再度、テンションがかかった状態となる。そして、その後は、ドローン１の揚力とスプール５の巻き取りトルクが釣り合って、繋索３にテンションがかかり、ドローン１を一定高度にて安定してホバリングさせることが可能となる。

最後に、ドローン１の飛行を終了する場合は、回転翼の回転速度を落とすなどの通常の着陸操作によってドローン１を回収することもできるが、本装置２にてアクチュエータ１０を摩擦ディスク８と制動ディスク９の滑り量がさらに減少する方向に操作すれば、スプール５の巻き取りトルクがドローン１の揚力を上回って繋索３を巻き取ることから、繋索３にテンションがかかった状態でドローン１を引っ張り下げ、着陸操作せずともホバリング操作または離陸操作にてドローン１を回収することができる。一般的に離陸操作が着陸操作よりも容易であるから、上述したアクチュエータ１０の増加方向操作により、初心者でもあってもドローン１を容易に回収することができる。

このように本装置２によれば、ドローン１の上昇過程、ホバリング中、下降過程の何れにおいても、繋索３をテンションがかかった状態とすることができるため、ドローン１の飛行になんら支障を与えず、その操縦を安定的に行うことができる。また、本装置２では、繋索３の繰り出し長さを計測して、改正航空法で定められた空域を越えないように、ドローン１の飛行範囲を制限することができると共に、万一、ドローン１が操縦不能となって墜落ないしは不時着したとしても、これを回収することができる。

なお、ドローン１は業務用であっても、おもちゃであっても、本発明を適用することができる。また、ドローン１は本発明を適用する無人航空機の一例であり、他のマルチコプターやラジコンのヘリコプターにも適用することができる。

また、繋索３の素材は無人航空機の大きさや性能に応じたものを選択することができ、これに伴って本装置２のスプール５や電動モータ６も繋索３に応じたものを採用することができる。

１ ドローン
２ 本装置
３ 繋索
４ カメラ
５ スプール
６ 電動モータ
７ クラッチ機構
８ 摩擦ディスク
９ 制動ディスク
１０ アクチュエータ
１１ ツマミ
１２ エンコーダ
１３ モータスイッチ

Claims (5)

1. 遠隔操縦する無人航空機の飛行を繋索によって補助する装置であって、前記繋索を巻回するスプールと、該スプールの巻き取り方向に回転する電動モータと、該電動モータの動力を前記スプールに伝達するクラッチ機構とを備え、
   前記クラッチ機構は、互いに圧接し、前記電動モータの動力をその滑り量に応じた巻き取りトルクとして前記スプールに伝達する摩擦ディスク及び制動ディスクと、
   これらディスクを相対的に圧接方向に移動させて前記滑り量を任意に可変するアクチュエータとを備え、
   前記スプールの巻き取りトルクを前記無人航空機の揚力と釣り合わせて前記繋索にテンションを付与することを特徴とした無人航空機の飛行補助装置。
2. アクチュエータは、スプールの巻き取りトルクが無人航空機の揚力を下回る繋索の繰り出し状態から、前記巻き取りトルクが前記揚力を上回る前記繋索の巻き取り状態まで、摩擦ディスクと制動ディスクの滑り量を可変する請求項１記載の無人航空機の飛行補助装置。
3. さらに、無人航空機の高度を検出して、前記高度が予め設定した設定値となったときに電動モータを駆動開始するモータ制御手段を備えた請求項１または２記載の無人航空機の飛行補助装置。
4. 無人航空機の高度の設定値は、スプールから繰り出される繋索の長さとして示される請求項３記載の無人航空機の飛行補助装置。
5. クラッチ機構は、アクチュエータとは別に、摩擦ディスクと制動ディスクの初期滑り量を調整するツマミを備えた請求項１から４のうち何れか一項記載の無人航空機の飛行補助装置。

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